基于matlab的智能天线波束方向图仿真,基于matlab的智能天线波束方向图仿真 -凯发k8官方网
第29卷第6期孝感学院学报v ol，基于m at la b的智能天线波束方向图仿真，汪 睿1，(1，3，摘 要:结合一种直线阵智能天线模型，关键词:智能天线，中图分类号:t n911，随着移动通信技术的发展，1 智能天线原理，智能天线是一种多天线技术，智能天线由天线阵列、模数转换器、波束成形网络和自适应处理器等4部分构成(见图1)，和优化准则主动地适应周围电磁环境的变化，图1 智能天线系统结构图，2 智能天线的信号模型，天线阵元的排列方式可以是任意的，收稿日期:2009-09-25，作者简介:汪 睿(1967 )，王振宫(1981 )，56，图2 智能天线二维原理图，在距离信号源足够远的空间里，如图2所示是智能天线的原理图，mk=md sin k cos，对于远场k=∀/2，#m k=2∀∃m d sin k cos，=%md sin k cos，∃为相位传播因子，=s k(t)ex p(-j%md cos，为了使天线阵的输出满足需要，n个信号在m个阵元上的输出为:，u m=，=，n-1，k=1，s k(t)ex p(-j%md cos，y(t)=，=，=s k(t)f(，这里(，f(，p r=，1，2，|y(t)|2=，1，2，|s(t)|2=|f(，w m=e-j%md cos0(7)，于是阵列因子为:，f(，=，sin[m%d，2，(sin cos，sin[，%d，2，(sin cos，∀，e-j(m-1)�(sin cos，利用m atlab软件对上面的公式进行计算和绘图，图3 0为00时的天线方向图，57，基于m at la b的智能天线波束方向图仿真，图4 0为00时的天线方向图，这一参量，4 结论与展望，从mat lab软件仿真后的天线方向图可以看出，[参 考 文 献]，[1] w inters j，diver sity o n the capacity o f wireless communication，systems[j]，42(234):1740-1751，[2] 赵勇，的应用[j]，[3] schmidt r o，parameter estimation[j]，p ro pag at，[4] seung wo n choi，beamfor ming algo rithm fo r a smart antenna sy stem，in a cdm a mo bile communication environment[j]，ieee t ransactions on vehicular t echnolog y，49(5):1793-1806，[5] a g raw al m，using spatial only modeling o f arr ay data[j]，t rans signal p ro cessing，线[m]，[7] 杨波，工大学，[8] 李金锁，波达方向估计研究[d]，[9] 张贤达，出版社，[10] 郭梯云，子科技大学出版社，simulation for beam pattern of s mart antenna based on matlab，w ang rui1，(1，2，x ianning，3，abstract:on the basis of the discussion of a sm art antenna m odel of uniform ly spaced linear array，key words:smart antenna，(责任编辑:陈锦华)，58，汪 睿。
29 no，2，孝感学院物理与电子信息工程学院，湖北职业技术学院应用技术分院，对其工作原理进行了研究，加权因子，72 文献标识码:a 文章编号:1671-2544(2009)06-0056-03，与日俱增的移动用户数量和日益丰富的移动增值服务，根据外界用户信号波达方向的变化，其中天线阵列是由按某种规律排列的天线阵元构成的，目前，男，男，可以将到达的电磁波视为平面波[9，图中有m 个阵元，k，其相位差为:，k，k(2)其中，则阵元m上产生的信号是: u mk=s k(t)exp(-j mk)，k)(3)，在每个阵元上用相应的加权因子w m进行控制，n-1k=1u mk，k)(4)则阵列的输出可以表示为:，m m=1w m u m，m m=1， )(5)， )称为接收平面波的波达方向(directio n of arr iv al， )|2(6)调整权集{w m}，-sin0)]，-sin0)]，-sin0)(8) 3 m a t l ab软件仿真，可以得到智能天线的方向图，就可以把波束指向水平面任何希望的方向，智能天线的波束方向图具有较窄的主瓣，salz j，ieee trans on communications，李桂花，电子科学技术评论，m ultiple em itter locatio n and signal，ieee t r ans a nt ennas，2003，do ng hee shim，2000，pr asad s，ieee，2004，2版，智能天线的波达方向估计[d]，2005，无线移动通信中的智能天线技术 信号，昆明:昆明理工大学，保铮，2000，邬国扬，2000，2，school of phy sics and electronic inf or mation engineer ing，d ep artment of electr onic i nf or mation eng ineer ing，h ubei437100，b r anch of a p p lication t echnolog y，the paper studied its w or king principle and beam fo rming，w eig hted facto r，王振宫。
6 2009年11月journal of xiaogan university n o v，王振宫1，湖北孝感432000，湖北孝感432000)，并在m a t l a b软件下对其波束方向图进行了仿真，方向图，使无线通信的业务量迅速增加，通过信号处理技术和自适应滤波算法对这些波束加权因子的幅度和相位自适应调整，波束成形网络则将来自每个天线阵元的信号加权相加，智能天线的阵元排列分为四种情况[7-8]:线状排列、圆周排列、面状排列和立体结构排列，湖北咸宁人，山东烟台人，10]，均匀排列于x轴，(1)，∃和d分别是入射波的波长和阵元间距，这样阵元m的输出为w m u m，n k=1w m s k(t)ex p(-j%md cos，doa)，)称为阵列因子(array facto r)，令第m个权因子为，)=，假设，从图3和图4中可以看出，较灵活的主副瓣大小、位置关系和较大的天线增益，gitlin r，2003，徐永胜，2005(5):18-23，34(3):276-280，a nov el adapt ive，bro adband do a estimat ion，48(3):663-670，北京:电子工业出版社，昆明:昆明理，2004，通信信号处理[m]，李建东，wang zheng ong1，x iaog an univer sity，x ianning vocational t echnical coll ege，china，h ubei p oly technic i ns titute，and made the sim ulations fo r beam patterns thro ug h the m at la b softw are，antenna patter n，曾庆栋。
2009，3，曾庆栋1，2，咸宁职业技术学院电子信息工程系，结果表明，通过调整加权因子，m at la b，给系统带来了容量压力，如何高效率的利用无线频谱受到了广泛的重视，使发射和接收方向图动态的跟踪用户，使波束准确的指向用户，其中的加权系数为复数，自适应处理器是智能天线的核心，这4种情况又可分为均匀排列和非均匀排列，直线形天线阵可以用在水平方向平面波在0- 扇区的方位角 估计和波束形成[7]，咸宁职业技术学院电子信息工程系教师，湖北职业技术学院应用技术分院教师， 通讯作者:曾庆栋(1982 )，对于均匀直线阵，由于调制在载波上的基带信号码元宽度与波束的乘积远大于天线阵列的尺寸，从0到m-1，假设第k 个信号以仰角k(与z轴的夹角)，%= 2∀，若到达天线阵的信号数是n，天线阵的输出是n个信号在m个阵元上输出的叠加，k)，除非特别说明，我们都认为多经分量以水平面方向=00到达基站，阵列因子是波达方向(，m-1m=0e-j%md(sin cos，-sin0)，在x-z平面，平面波入射到图2所示阵列上时(即，与全向天线相比，智能天线的波束方向图具有较窄的主瓣，并具有自适应调整波束方向等功能，为了最大限度的放大有用信号，t he impact of ant enna，智能天线技术及其在军事上， [6] 龚耀寰，自适应滤波 时域自适应滤波和智能天，2006，北京:国防工业，移动通[m]，西安:西安电，3，zeng qingdo ng1，x iaogan，h ubei432000，x iaog an，h ubei432000，the result show ed that the mainlo be could po int to any direction in ho rizontal plane by adjustment o f w eig hted factor，ma tlab。
导读：文档《基于matlab的智能天线波束方向图仿真》共1页，当前为第1页，大小为259kb，是专业资料、工程科技、信息与通信相关类别的资料，并提供若干种基于matlab的智能天线波束方向图仿真的文本文档下载，如word文档下载、wps文档下载等。摘 要: 结合一种直线阵智能天线模型,对其工作原理进行了研究, 并在 matlab 软件下对其波束方向
图进行了仿真, 结果表明,通过调整加权因子, 可以使天线主波束在平面内指向任何用户方向。
关键词: 智能天线;加权因子; 方向图; m at lab,以下便是第1页的正文：
第29卷第6期孝感学院学报v ol.29 no.6 2009年11月journal of xiaogan university n o v.2009
基于m at la b的智能天线波束方向图仿真
汪 睿1,2,王振宫1,3,曾庆栋1
(1.孝感学院物理与电子信息工程学院,湖北孝感432000;2.咸宁职业技术学院电子信息工程系,湖北咸宁437100;
3.湖北职业技术学院应用技术分院,湖北孝感432000)
摘 要:结合一种直线阵智能天线模型,对其工作原理进行了研究,并在m a t l a b软件下对其波束方向图进行了仿真,结果表明,通过调整加权因子,可以使天线主波束在平面内指向任何用户方向。
关键词:智能天线;加权因子;方向图;m at la b
中图分类号:t n911.72 文献标识码:a 文章编号:1671-2544(2009)06-0056-03
随着移动通信技术的发展,与日俱增的移动用户数量和日益丰富的移动增值服务,使无线通信的业务量迅速增加,给系统带来了容量压力,如何高效率的利用无线频谱受到了广泛的重视,为了适应通信技术的发展,迫切需要新技术的出现来解决这些问题。这样智能天线技术就应运而生了。智能天线为解决频谱资源不足、提高移动通信系统容量和系统服务质量提供了一个有效的解决途径,被认为是目前进一步提高频谱利用率的最有效的方法之一[1-4]。
1 智能天线原理
智能天线是一种多天线技术,根据外界用户信号波达方向的变化,通过信号处理技术和自适应滤波算法对这些波束加权因子的幅度和相位自适应调整,使发射和接收方向图动态的跟踪用户,使波束准确的指向用户。智能天线具有增加通信容量和速率、减少电磁干扰、减少手机和基站发射功率,并具有定位功能的优点[5,6]。
智能天线由天线阵列、模数转换器、波束成形网络和自适应处理器等4部分构成(见图1)。其中天线阵列是由按某种规律排列的天线阵元构成的。波束成形网络则将来自每个天线阵元的信号加权相加,其中的加权系数为复数。自适应处理器是智能天线的核心,其功能是根据一定的算法
和优化准则主动地适应周围电磁环境的变化。
图1 智能天线系统结构图
2 智能天线的信号模型
天线阵元的排列方式可以是任意的,目前,智能天线的阵元排列分为四种情况[7-8]:线状排列、圆周排列、面状排列和立体结构排列。这4种情况又可分为均匀排列和非均匀排列。直线形天线阵可以用在水平方向平面波在0- 扇区的方位角 估计和波束形成[7];由于均匀直线排列天线的结构和信号处理量相对简单,且能普遍满足移动通信系统的应用要求。图2为均匀直线阵列的平面模型。
收稿日期:2009-09-25
作者简介:汪 睿(1967 ),男,湖北咸宁人,咸宁职业技术学院电子信息工程系教师。
王振宫(1981 ),男,山东烟台人,湖北职业技术学院应用技术分院教师。 通讯作者:曾庆栋(1982 ),男,湖北广水人,孝感学院物理与电子信息工程学院教师。
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图2 智能天线二维原理图
在距离信号源足够远的空间里,可以将到达的电磁波视为平面波[9,10]。对于均匀直线阵,由于调制在载波上的基带信号码元宽度与波束的乘积远大于天线阵列的尺寸,因此到达各个天线阵元上的信号幅度可以视为不变,而到达它们的载波存在相位差,且相位差取决于各个阵元的空间位置,尺寸,波长和波达方向(仰角,方位角!)。其中从远场的信号源来说,仰角=∀/2。
如图2所示是智能天线的原理图。图中有m 个阵元,均匀排列于x轴,从0到m-1。假设第k 个信号以仰角k(与z轴的夹角),方位角!k(与x 轴的夹角)入射到阵列0号参考阵元上的信号为s k(t);第m个阵元上接收的信号为u mk,它与0号阵元的波程差为:
mk=md sin k cos!k,(1)
对于远场k=∀/2,其相位差为:
#m k=2∀∃m d sin k cos!k,
=%md sin k cos!k(2)其中,∃和d分别是入射波的波长和阵元间距,%= 2∀
∃为相位传播因子,则阵元m上产生的信号是: u mk=s k(t)exp(-j mk)
=s k(t)ex p(-j%md cos!k)(3)
为了使天线阵的输出满足需要,在每个阵元上用相应的加权因子w m进行控制。这样阵元m的输出为w m u m;若到达天线阵的信号数是n,天线阵的输出是n个信号在m个阵元上输出的叠加。将问题简化为x-y平面的二维问题并用解析式表达如下:
n个信号在m个阵元上的输出为:
u m=!n-1k=1u mk
=!
n-1
k=1
s k(t)ex p(-j%md cos!k)(4)则阵列的输出可以表示为:
y(t)=!m m=1w m u m
=!m m=1!n k=1w m s k(t)ex p(-j%md cos!k)
=s k(t)f(, )(5)
这里(, )称为接收平面波的波达方向(directio n of arr iv al,doa),除非特别说明,我们都认为多经分量以水平面方向=00到达基站,因此由方位角!就可以完全确定波达方向doa。
f(,!)称为阵列因子(array facto r),阵列因子是波达方向(,!)的函数,通过调整权集{w m},可以将阵列因子的最大主瓣对准任意方向(0,!0)。在阵列的输出端接收到的功率为
p r=
1
2
|y(t)|2=
1
2
|s(t)|2=|f(, )|2(6)调整权集{w m},令第m个权因子为
w m=e-j%md cos0(7)
于是阵列因子为:
f(,!)=!m-1m=0e-j%md(sin cos!-sin0)
=
sin[m%d
2
(sin cos!-sin0)]
sin[
%d
2
(sin cos!-sin0)]
∀
e-j(m-1)�(sin cos!-sin0)(8) 3 m a t l ab软件仿真
利用m atlab软件对上面的公式进行计算和绘图,可以得到智能天线的方向图。假设,在x-z平面,平面波入射到图2所示阵列上时(即!= 00),如图3和图4所示分别为当为0#和30#时的天线波束方向图。由前面的推理可知,只须调整
图3 0为00时的天线方向图
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基于m at la b的智能天线波束方向图仿真
图4 0为00时的天线方向图
这一参量,就可以把波束指向水平面任何希望的方向。从图3和图4中可以看出,与全向天线相比,智能天线的波束方向图具有较窄的主瓣,较灵活的主副瓣大小,位置关系和较大的天线增益。
4 结论与展望
从mat lab软件仿真后的天线方向图可以看出,智能天线的波束方向图具有较窄的主瓣,较灵活的主副瓣大小、位置关系和较大的天线增益,并具有自适应调整波束方向等功能。为了最大限度的放大有用信号,抑制干扰信号,最直观的方法是将主瓣对准有用信号的入射方向,即用户方向,而将方向图中的最低增益点(被称之为零陷)对准干扰信号方向。当然,这只是理想情况,实际的无线通信环境比较复杂,干扰信号较多,存在多径传输,有用信号和干扰信号入射方向差异不大等问题使得智能天线不能达到理想的效果。如何选择更优的波束形成算法,自适应调整加权因子,将是今后研究的一个方向。
[参 考 文 献]
[1] w inters j,salz j,gitlin r.t he impact of ant enna
diver sity o n the capacity o f wireless communication
systems[j].ieee trans on communications,2003,
42(234):1740-1751.
[2] 赵勇,李桂花,徐永胜.智能天线技术及其在军事上
的应用[j].电子科学技术评论,2005(5):18-23.
[3] schmidt r o.m ultiple em itter locatio n and signal
parameter estimation[j].ieee t r ans a nt ennas
p ro pag at,2003,34(3):276-280.
[4] seung wo n choi,do ng hee shim.a nov el adapt ive
beamfor ming algo rithm fo r a smart antenna sy stem
in a cdm a mo bile communication environment[j].
ieee t ransactions on vehicular t echnolog y,2000,
49(5):1793-1806.
[5] a g raw al m,pr asad s.bro adband do a estimat ion
using spatial only modeling o f arr ay data[j].ieee
t rans signal p ro cessing,2004,48(3):663-670. [6] 龚耀寰.自适应滤波 时域自适应滤波和智能天
线[m].2版.北京:电子工业出版社,2006.
[7] 杨波.智能天线的波达方向估计[d].昆明:昆明理
工大学,2005.
[8] 李金锁.无线移动通信中的智能天线技术 信号
波达方向估计研究[d].昆明:昆明理工大学,2004.
[9] 张贤达,保铮.通信信号处理[m].北京:国防工业
出版社,2000.
[10] 郭梯云,邬国扬,李建东.移动通[m].西安:西安电
子科技大学出版社,2000.
simulation for beam pattern of s mart antenna based on matlab
w ang rui1,2,wang zheng ong1,3,zeng qingdo ng1
(1.school of phy sics and electronic inf or mation engineer ing,x iaog an univer sity,x iaogan,h ubei432000,china;
2.d ep artment of electr onic i nf or mation eng ineer ing,x ianning vocational t echnical coll ege,
x ianning,h ubei437100,china;
3.b r anch of a p p lication t echnolog y,h ubei p oly technic i ns titute,x iaog an,h ubei432000,china)
abstract:on the basis of the discussion of a sm art antenna m odel of uniform ly spaced linear array,the paper studied its w or king principle and beam fo rming,and made the sim ulations fo r beam patterns thro ug h the m at la b softw are.the result show ed that the mainlo be could po int to any direction in ho rizontal plane by adjustment o f w eig hted factor.
key words:smart antenna;w eig hted facto r;antenna patter n;ma tlab
(责任编辑:陈锦华)
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汪 睿,王振宫,曾庆栋
总结
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